8.1 无线电安全与监测

8.1 无线电安全与监测

本节摘要：频谱监测是 SDR 最基础也最被低估的应用：系统性扫描一个频段、记录占用情况、辨识信号类型，既能建立"本地频谱地图"，也是无线电安全审计的第一步。本节给出从扫描脚本到占用报告的完整流程，并划定监测的法律与伦理边界。

监测的目标与节奏

把 RTL-SDR 指向天空，频谱里至少有这些"住户"：调频广播（88 到 108 MHz，全天满功率）、航空话音（118 到 137 MHz，间歇突发）、公共对讲与集群（400 到 470 MHz，业务时段密集）、ISM 免许可段（433 MHz 遥控与传感器，偶发）、以及 ADS-B（1090 MHz，随航班密度起伏）。系统性监测的目标是把"知道有信号"升级为"知道谁、何时、多宽、什么体制"——这份本地频谱地图是后续一切实验的底图。

监测的节奏设计比采集本身更讲究。两个参数决定数据价值：驻留时间（每个频率停留多久）与回访周期（多久扫一轮）。间歇信号（对讲机一次通联十几秒）需要长驻留或宽视野；周期信号（寻呼台固定节奏）需要跨周期回访。宽视野方案优先：2.048 MSPS 一次覆盖 2 MHz，用第 6.2 节的信道化思路在软件里切分，比逐频点扫描高效一个量级。

扫描脚本：从采样到占用统计

下面是一个可直接运行的频段扫描器：对给定中心频率采集数秒，统计超过阈值的频点占比，输出占用摘要。

import numpy as np
from scipy.signal import firwin, lfilter

def measure_occupancy(fname, fs=2.048e6, nfft=2048, thresh_db=15):
    raw = np.fromfile(fname, dtype=np.uint8).astype(np.float32) - 127.5
    iq = (raw[0::2] + 1j * raw[1::2]) / 128.0
    frames = len(iq) // nfft
    win = np.hanning(nfft)
    noise_floor = np.inf
    occ = None
    for k in range(frames):
        seg = iq[k*nfft:(k+1)*nfft] * win
        spec = 10*np.log10(np.abs(np.fft.fftshift(np.fft.fft(seg)))**2 + 1e-12)
        # 噪声底取各频点的中位数，抗强信号污染
        floor = np.median(spec)
        noise_floor = min(noise_floor, floor)
        active = spec > floor + thresh_db          # 高于噪声底 15 dB 视为占用
        occ = active if occ is None else (occ | active)
    return occ.mean(), noise_floor                 # 占用比例与噪声底

ratio, floor = measure_occupancy("scan_435m.iq")
print(f"435 MHz 段占用率约 {ratio*100:.1f}%，噪声底 {floor:.1f} dB")
​

阈值 15 dB 是经验起点：低了把噪声起伏当信号（虚警高），高了漏掉弱信号。判断方法是把阈值上下调 5 dB 看占用率变化——稳定不变说明取值合理，剧烈变化说明信号强度贴着阈值，需要延长驻留。噪声底用中位数而非均值，是为了抗强信号拉偏——这个细节在 8bit 设备上尤其重要（强信号的泄漏裙边会污染整段统计）。

图：一次城市 VHF 与 UHF 频段监测的占用全景

从占用到辨识：信号类型判读

占用统计回答"有没有"，判读回答"是谁"。判读三步法沿用第 3 章的指纹库：看宽度（25 kHz 量级多为窄带调频话音、180 kHz 是宽带广播、200 kHz 以上平顶可能是数字宽带）、看时间结构（瀑布图上连续载波是广播、短突发是通联或遥控、规律脉冲可能是信标）、看频率稳定性（围绕中心微移的是话音调制、固定不动的是数据或导频）。三步之后，本地频谱里的"住户"基本都能挂牌到位。

无线电安全的边界

监测能力引出安全话题时，法律与伦理边界必须先讲清楚。接收侧的通用规则：公开广播（广播电台、ADS-B、气象卫星）接收与利用完全自由；非公开通信（他人话音、数据）接收能力虽在，多数国家的法规禁止泄露与利用其内容——"能收"不等于"可传播"。发射侧的红线更硬：无执照发射在任何非 ISM 免许可频段都属违法，SDR 的发射能力（PlutoSDR、HackRF）必须在校室屏蔽环境或合法频段内使用。无线电安全研究（协议漏洞分析）应遵循负责任披露：发现问题先报告设备厂商或频管部门，公开前给修复留窗口。

实操建议是把这条边界写进你的实验笔记首页，与设备清单放在一起。监测类实验的可发表产出（频谱占用研究、信号普查）本身有学术价值，从合规的接收出发，路一直都在。

常见问题

问题：监测到的他人通信内容可以发到网上吗？

不可以。多数国家的无线电法规明确禁止泄露利用非公开通信内容——收听能力是设备的，传播权是法规的。公开广播（电台、ADS-B、气象卫星）与公开遥测不受此限。判定办法：这个信号的设计意图是否包含"任何人都可接收"——广播与遥测是，私人通联不是。

问题：为什么我的占用统计每次跑结果都不一样？

两个来源：阈值边缘的信号在噪声起伏中反复跨线，以及间歇信号在不同采集窗口里的出现概率不同。前者靠延长驻留平均，后者靠多轮回访——占用本身就是时间函数，短窗口的方差是真实信息而非测量误差。

问题：监测结果有什么正经用途？

学术与工程用途都很多：频谱占用研究（为频谱政策提供实证）、新台选址前的环境评估、物联网协议的信道选择依据、以及无线电干扰投诉的证据采集。多轮长期监测数据（同一频段按周对比）的价值远高于单次快照——占用率随时段、星期、季节的规律本身就是研究结论。

问题：占用率多高算"拥挤"？有公认阈值吗？

没有统一阈值，因为占用是频段与场景的函数：广播频段满载是常态，ISM 段偶发是常态。有意义的做法是纵向对比——同一频段在不同时段、不同日期的占用曲线，偏差最大的时段就是值得深入观测的窗口。监测的价值在趋势与异常，不在绝对数字。

本节要点回顾

• 监测设计：宽视野优于逐点扫描，驻留与回访周期按信号节奏定。
• 占用统计细节：噪声底取中位数抗强信号污染，阈值 15 dB 起试并验证稳定性。
• 判读三步：宽度、时间结构、频率稳定性，对应第 3 章指纹库。
• 边界先于能力：接收公开信号自由，内容传播与发射受法规严格约束。

监测给了你"看见全景"的能力，下一节看这些能力如何反向支撑通信系统的设计开发。